GPS测量技术第一章第二章

1、卫星定位技术提供精确的地心坐标提供全球统一的坐标能在长距离上进行高精度定位的技术全天候的，更为快捷、精确、简便的定位技术卫星定位技术空间技术现代通信技术现代电子技术计算机技术早期卫星定位技术子午卫星导航系统（NNSS）全球定位系统（GPS）u卫星激光测距卫星激光测距(SCR) (Satellite Laser Ranging)(SCR) (Satellite Laser Ranging) 在在ABCABC三个已知点上同时测定至卫星三个已知点上同时测定至卫星S1S1的三个距离，的三个距离，可以计算出可以计算出S1S1的空间坐标；同理可测定的空间坐标；同理可测定S2S2、S3S3的坐标。在的坐标。

2、在未知点未知点D D上和上和ABCABC三点同步观测卫星三点同步观测卫星S1S1、S2S2、S3S3的距离值，的距离值，同样可以计算出同样可以计算出D D点的坐标。点的坐标。 测距及相对定位精度可达厘米级。测距及相对定位精度可达厘米级。 仪器构成：激光发射、接收望远镜，卫星跟踪望远镜，仪器构成：激光发射、接收望远镜，卫星跟踪望远镜，光电转换器件，计数器，驱动机构，控制部分等。光电转换器件，计数器，驱动机构，控制部分等。 测程：测程： 50M8000KM50M8000KM 测距精度：厘米级测距精度：厘米级 子午卫星子午卫星星座大地测量多普勒接收机 - 1（MX1502）大地测量多普勒接收机 -

3、2（CMA751） GLONASS constellationGLONASS satelliteP24参参 数数GLONASSGLONASSNAVSTAR GPSNAVSTAR GPS系统中的卫星数系统中的卫星数21213 321213 3轨道平面数轨道平面数3 36 6轨道倾角轨道倾角64.8 64.8 5555轨道高度轨道高度19100km19100km20180km20180km轨道周期（恒星时）轨道周期（恒星时）1111h h1515minmin1212h h卫星信号的区分卫星信号的区分FDMAFDMACDMACDMAL1L1频率频率16021615MHz16021615MHz频道间隔

4、频道间隔0.5625MHz0.5625MHz1575MHz1575MHzL2L2频率频率12461256MHz12461256MHz频道间隔频道间隔0.4375MHz0.4375MHz1228MHz1228MHzn伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。GIOVE A GIOVE B the GIOVE SatelliteP29北斗1代卫星导航系统组成图P32u用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等1.4.1 美国政府的GPS政策 空间星座部分空间星座部分 GPS卫星星座卫星星座 地面监控部分地面监控部分地面监控系统地面监控

5、系统 用户部分用户部分 GPS 接收机和用户接收机和用户 GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备下列观测条件： （1）同一卫星每天可提前四分钟出现，其在地平线以上的可见运行时间为五小时。 （2）由于观测者所处的位置和时间的不同，可同时观测的卫星个数也各异，但最少能观测到4颗卫星，最多可观测到11颗。 （3）GPS定位精度与被观测卫星的位置分布有关。对于只能观测到4颗卫星的情况，因在这一时间段内别无选择，其定位精度一般较差，这个短暂的时间段称为“时间间隙段”。在时间间隙段内须用新型的GPS/GLONASS集成式接收机同时接收GPS信号和GLONASS信号才能消除“间隙段”的影响。“间

6、隙段”仅出现在极少数地区，而广大范围内不会出现这种情况。 工作卫星之所以采用二万公里高近于圆形的轨道，一方面是为了增大覆盖面积，另一方面是为了使覆盖均匀，从而达到信号强度均匀、接收时间也均匀的目的。 Block 卫星Block 试验卫星也称原型卫星，卫星重774KG，设计寿命为5年。Block 卫星BLOCK卫星重约1.5T，设计寿命为7.5年，平均使用时间预期为6年。一个主控站：科罗拉多一个主控站：科罗拉多斯必灵司斯必灵司三个注入站：阿松森三个注入站：阿松森(A(Ascencion)scencion) 迭哥迭哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(Diego Garcia)卡瓦加兰卡瓦加

7、兰(kwajalein)(kwajalein)五个监测站五个监测站=1=1个主控站个主控站+3+3个注入站个注入站+ +夏威夷夏威夷(H(Hawaii)awaii)地面监控站的分布地面监控站的分布 组成组成GPS卫星注入站监测站主控站监控站的作用监控站的作用 监控站监控站伪距伪距导航数据导航数据气象数据气象数据卫星状态数据卫星状态数据主控站主控站测测量量传传送送 注入站设有3.66m抛物面天线，1台C波段发射机和一台电子计算机。 其主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。 整个地面监控部分，除主控站外均无人值守。 地面监控系统的工作程序方框图如右图

8、所示。监控系统工作程序 GPS信号接收机用户设备数据后处理软件 GPS GPS接收机一般包括主机、天线单元和电源。接收机一般包括主机、天线单元和电源。 天线单元：由天线和前置放大器组成，天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。灵敏度高，抗干扰性强。 接收机主机由变频器、信号通道、微处接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。理器、存储器及显示器组成。电源电源: : 分为外接和内接电池（分为外接和内接电池（12V12V），机内），机内还有一锂电池。还有一锂电池。GPSGPS信号接收机信号接收机 按用途按用途按接收机结按接收机结构分类构分类 按接收机作业按接收机作

9、业模式模式按载波频率按载波频率 GPSGPS信号接收机分类信号接收机分类 导航型、测地型和授时型导航型、测地型和授时型 静态接收机、动态接收机静态接收机、动态接收机 单频接收机和双频接收机单频接收机和双频接收机 分体式接收机、整体式接分体式接收机、整体式接收机、手持式接收机收机、手持式接收机单频机 L1双频机L1+L2手持型GPS机二体运动求解卫星相对地球的位置基于万有引力的分析解卫星相对地球的真实位置考虑摄动力的影响下面通过二体问题的研究，学习卫星轨道是如何获取的？下面通过二体问题的研究，学习卫星轨道是如何获取的？yxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道ivrrrm2eGMFeFes-FF

10、rrrm-2sGMFrrrmdtrdMrrrm-dtrdm222222GMGMrrrm-dtrd222）（ MGveearcos1)1 (2abMms近地点远地点Vr近地点地心远地点GMaT23242/13aGMn323-723.147110aTaGMyxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道ivyxz轨道春分点升交点近地点卫星地心赤道iv2.1.3 2.1.3 真近点角真近点角V V的计算的计算mmm m m m a aM Mr ra ab b）（000ttnM0n 根据开普勒方程，偏近点角 与平近点角 的关系为： 已知 时，可以采用迭代法按上式计算 。迭代计算时先令 ，因偏心率 仅为0.01

11、左右，所以迭代两次便可求得偏近点角 。EeMEOsin0ME0ME0ME eE偏近点角E与平近点角 有一下重要关系：OMEeMEOsin 其次，为了计算卫星的瞬时位置，还需要确定真近点角V与偏近点角之间的关系。于是 将上式代入轨道方程（2.5），则得由式上可得真近点角V与偏近点角E之关系： aeVrEacoscos）（eEraVcoscos）（Eearcos1 EeEeVEeeEVcos1sin1sincos1coscos2eEEeVcossin1tan2u卫星运动的摄动力卫星运动的摄动力地球的非中心引力地球的非中心引力太阳的引力和月球的引太阳的引力和月球的引力力太阳的直接与间接辐射太阳的直接

12、与间接辐射压力压力太阳的阻力太阳的阻力地球的潮汐作用地球的潮汐作用磁力等磁力等ncFmsFF、rFaF卫星受到的摄动力 地球引力场摄动力影响约为地球引力场摄动力影响约为1010-3-3量级，其他摄量级，其他摄动力影响大多小于或接近于动力影响大多小于或接近于1010-6-6量级。量级。地球非球形引力的摄动t 0t)0t（ 00t -ttt2.2.1 地球非球形引力的摄动对卫星轨道的影响同样在引力场摄动力的作用下，卫星轨道平近点角同样在引力场摄动力的作用下，卫星轨道平近点角也随时间变化，任一时刻也随时间变化，任一时刻t的平近点角为的平近点角为 0M若设若设 ，则对，则对GPSGPS卫星可得卫星可得

13、 。t 00t - ttt 000000t -tnt -tttKMMM0Mndn01.0入射作用力入射作用力发射作用力发射作用力反照压力反照压力（被地球反射的太阳光产生的压力，（被地球反射的太阳光产生的压力，为辐射压力的为辐射压力的1%1%，可忽略），可忽略） 对卫星产生的加速度，约为对卫星产生的加速度，约为1010-7-7m/sm/s2 2量级量级 地球潮汐摄动力，对于在36 000km高度的卫星（GPS卫星高度为20 200km），摄动量约为110-10，故常被忽略升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e

14、轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面 升交点经度kG AST xy轨道平面坐标系轨道平面坐标系轨道参数轨道参数地心升交点xy近地点卫星近地点角距真近点角升交距角升交点Z (Z)YXro春分点轨道平面卫星升交点赤经i 轨道倾角轨道椭圆中心赤道面近地点近地点角距长半径t0 过近地点时刻e 轨道偏心率地心f 真近点角XY起始子午面 升交点经度kG AST xy计算真近点角计算真近点角V Vk k计算卫星运行的平均角速度计算卫星运行的平均角速度n n计算归化时间计算归化时间t tk k计算升交距角计算升交距角u u0 0计算经过摄动改正的升交距角、计算经过摄动改正的升交距角、卫星的地心距离及轨道倾

15、角卫星的地心距离及轨道倾角计算卫星的轨道平面直角坐标计算卫星的轨道平面直角坐标计算计算nnnnsmWGSaaGMn0231433010986005. 384)(实际平均角速度：，则可算出卫星运动的摄动改正利用导航电文中给出的系中定义为称为地球引力常数，在 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算k0ktnMMkkksin EeME)cos1 (k0EeAr GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算k0Vu)2sin()2cos()2sin()2cos()2sin()2cos(000000uCuCiuCuCruCuCuisicrsrcu

16、suceEEearctgVkk2kcossin1MVkrk卫星kiiiirrruuuk0k0k0ktkkkkkksincosuryurx计算观测时刻的升交点经度计算观测时刻的升交点经度K K计算卫星在地心空间直角坐计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标标系中的坐标 计算计算 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算 GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算OetOeOOOOetGAST）（eOeeOeeOkttt）（e）（Oettee）（OtGASTGASTOzuryurxkkkkkkksincosz GPS系统及其信号 GPS 卫星在轨位置的计算kkkkkkkkkkkkkkkkkk

17、kkkkkkkkkkkkk1k3kkkysinysincosxsinysinxcoszyxcossin0sincossincossinsincossincoszyx)()(iiconiiiiiconiiiRRZYX当码的波型为当码的波型为” 1” 1”时，与载波相乘，不会改变载波的相时，与载波相乘，不会改变载波的相位；位；当码的波型为当码的波型为”-1”-1”时，与载波相乘，载波相位改变时，与载波相乘，载波相位改变180180度。度。当码值当码值( (调制信号调制信号) )从从1 1变成变成0 0，或从，或从0 0变成变成1 1时，将使载波相时，将使载波相位改变位改变180180度。调制以后的

18、卫星信号经由卫发射天线向用户度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发播发 。4.2 GPS4.2 GPS卫星信号卫星信号 a3a2a1a0初始初始1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 4 级级M 序列的产生方框图序列的产生方框图 输出输出M序列序列: 000111101011001输输出出m序列伪随机噪声码的自相关特性序列伪随机噪声码的自相关特性对齐时：对齐时：000111101011001 未对齐时：未对齐时：000111101011001 000111101011001 100011110101100A=15,D=0,R=（A-D）/m=1

19、A=7,D=8,R=（A-D）/m=-1/15 每颗卫星都发射一系列无线电信号每颗卫星都发射一系列无线电信号( (基准频率基准频率 ) ) 两种载波两种载波(L1(L1和和L2) L2) 两种码信号两种码信号(C/A(C/A码和码和P P码码) ) 一组导航电文一组导航电文( (信息码，信息码，D D码码) )每25帧构成一个主帧25颗卫星的星历C/A码和P码主要特征指标特征指标C/A码P码产生物理单元10级反馈移位寄存器12级反馈移位寄存器码长Nu=2r-11023bit2.351014bit频率f0.1f0（1.023MHz）f0 （10.23MHz）码宽tu=1/f0.97752s0.0

20、97752s周期=Nutu1ms267d码宽等效距离=ctu293.1m29.3m测距误差(1/10-1/100码宽)29.3-2.9m2.93-0.29m特征粗码、开放、二值精码、保密、二值信息容量。噪声功率；信号功率；）信息频带宽度（单位CNSHBNSBCZ;1log2第一数第一数据块据块第二数第二数据块据块第三数第三数据块据块数据码文数据码文校验码文校验码文111010101011011000111011110100MHzGPS卫星所播发的信号（基准频率：10.23）GPS卫星信号的构成 当码的波型为当码的波型为” 1” 1”时，与载波相乘，不会改变载波的相时，与载波相乘，不会改变载波的相位；位；当码的波型为当码的波型为”-1”-1”时，与载波相乘，载波相位改变时，与载波相乘，载波相位改变180180度。度。当码值当码值( (调制信号调制信号) )从从1 1变成变成0 0，或从，或从0 0变成变成1 1时，将使载波相时，将使载波相位改变位改变180180度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户度。调制以后的卫星信号经由卫发射天线向用户播发播发 。4.2 GPS4.2 GPS卫星信号卫星信号 a3a2a1a0初始初始1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 4 级级M 序列的产生方框图序列的产生方框图 输出输出M序列序列: